校園AGT系統(tǒng)仿真探究

文/張毛杰、李祥、吳思佳、蔣瑤

1 研究背景

在大學(xué)生人數(shù)增加、各高校新校區(qū)面積較為廣闊的情況下，師生出行以步行、校園通勤車、共享單車等為主。常規(guī)校園通勤車由人為操作，行駛于校園各主干道或行人較多的車道，具有許多不確定性和安全隱患。而AGT 自導(dǎo)向交通系統(tǒng)早就應(yīng)用于機(jī)場等指定場所的短距離交通中，其擁有獨(dú)立的運(yùn)行軌道和線路，并且采用自動駕駛技術(shù)，相比常規(guī)校園通勤車更具優(yōu)勢，因此將AGT 自導(dǎo)向交通系統(tǒng)應(yīng)用于高校校園這種短距離交通也可以展現(xiàn)出其可行性。

2 研究現(xiàn)狀

AGT 車輛在20 世紀(jì)70年代就已經(jīng)率先被運(yùn)用于機(jī)場交通。雖然常規(guī)交通車輛的站臺設(shè)計算法諸多，且已經(jīng)非常成熟，但AGT 車輛在高校校園交通的引入設(shè)計、站臺規(guī)劃方面還是空白。

3 學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)

本文歸納了現(xiàn)代高校校園的交通特點(diǎn)，將其與AGT 自導(dǎo)向交通系統(tǒng)相結(jié)合，根據(jù)相關(guān)算法，以西南交通大學(xué)犀浦校區(qū)為例規(guī)劃出AGT 交通系統(tǒng)的運(yùn)營路線。

4 計算模型

4.1 現(xiàn)有校園交通特點(diǎn)

4.1.1 高校道路規(guī)劃相對不合理，設(shè)施配備不完善

校內(nèi)主要地點(diǎn)，如圖書館、教學(xué)樓、宿舍、食堂等，人員流量大，且具有一定周期性；傳統(tǒng)校園通勤車與人并行，站點(diǎn)簡陋，有通勤車堵塞、人員排隊隊伍堵塞等情況發(fā)生。

4.1.2 校園短途公共交通設(shè)施不完善且設(shè)施落后

現(xiàn)代信息化建設(shè)雖然如火如荼，但傳統(tǒng)校園通勤車依然停留在傳統(tǒng)模式，如駕駛員主觀意識發(fā)車?？俊⒑蜍嚾藛T無法得知車輛運(yùn)行方位和等候時長、缺少現(xiàn)代技術(shù)支持等。

4.1.3 混合交通沖突

校園交通中，道路上經(jīng)常出現(xiàn)人行與機(jī)動車混行、多種交通工具混行現(xiàn)象。

4.2 AGT 系統(tǒng)概述

AGT 系統(tǒng)是一種小型車輛運(yùn)行在具有側(cè)向或中央導(dǎo)向?qū)Ｓ没炷淋壍郎系南到y(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無人駕駛。其平均站間距在800～1200m，平均速度在20～30km/h，最高時速可達(dá)60km/h[1]。

4.3 Dijkstra（迪杰斯特拉）算法

在將AGT 系統(tǒng)引入西南交通大學(xué)犀浦校區(qū)交通運(yùn)輸系統(tǒng)時，我們使用了最短路徑算法合理規(guī)劃AGT系統(tǒng)車輛的運(yùn)行路線。其中，常用的解決最短路徑問題的算法有Dijkstra 算法、Floyd 算法、A 算法等。在這些算法中，我們使用了Dijkstra 算法來解決這個問題。

Dijkstra 算法是典型的計算單源最短路徑的算法，主要用于計算一個節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑問題。其主要特點(diǎn)是以起始點(diǎn)為中心向外層擴(kuò)展，每次遍歷距起始點(diǎn)最近且未訪問過的頂點(diǎn)作為鄰接節(jié)點(diǎn)，直到擴(kuò)展到終點(diǎn)為止[2]。

5 計算分析

5.1 Dijkstra 算法概述

在一個無向圖中，將圖中所有頂點(diǎn)集合V 分成兩個集合，第一個集合S 包含所有已求出最短路徑的頂點(diǎn)，第二個集合U 包含其余未確定最短路徑的頂點(diǎn)。具體步驟為：

5.1.1 初始狀況下，集合S 中只包含起始點(diǎn)v0，而集合U 包含除起始點(diǎn)v0外的其他頂點(diǎn)，且集合U 中頂點(diǎn)的距離是指該頂點(diǎn)到起始v0的距離。

5.1.2 遍歷集合U 中的點(diǎn)并從中選出距離起始點(diǎn)v0最短的頂點(diǎn)v，同時將該點(diǎn)加入集合S 中，從集合U 中移除頂點(diǎn)v。

5.1.3 更新U 中各個頂點(diǎn)到起點(diǎn)v0的距離。之所以更新U 中頂點(diǎn)的距離，是由于上一步中確定了v是已找出的距離之前的起始點(diǎn)v0最近的頂點(diǎn)，從而可以利用頂點(diǎn)v 來更新其他頂點(diǎn)的距離[3]。

5.1.4 重復(fù)步驟5.1.2 和5.1.3，直到遍歷完集合U 中所有頂點(diǎn)，得出以v0為起始點(diǎn)的最短路徑。

5.2 AGT 系統(tǒng)路網(wǎng)與結(jié)點(diǎn)的處理

首先確定可能的路網(wǎng)和各站點(diǎn)的位置。在設(shè)置站點(diǎn)時，考慮實(shí)際中的客流量、交通安全等因素的影響進(jìn)行布置，然后將起始點(diǎn)到該站點(diǎn)的最短路徑信息保存至數(shù)據(jù)庫中。

5.3 確定站點(diǎn)位置

在確定站點(diǎn)位置時，我們首先把西南交通大學(xué)犀浦校區(qū)分為四大功能區(qū)，分別是生活服務(wù)區(qū)、教學(xué)區(qū)、體育活動區(qū)和綠化區(qū)，在相應(yīng)功能區(qū)設(shè)置對應(yīng)站點(diǎn)；同時，注意各功能區(qū)之間的邊界位置是否應(yīng)設(shè)置站點(diǎn)。另外，在各功能區(qū)內(nèi)，還應(yīng)根據(jù)各功能區(qū)的面積、內(nèi)部標(biāo)志建筑物的位置和人流量大小設(shè)置合理數(shù)量和位置的站點(diǎn)。對于特殊情況，例如校園的出入口和特殊地段，需要額外設(shè)置站點(diǎn)，以滿足師生的出行需要[4]。

經(jīng)調(diào)查研究，最終我們選取了28 個站點(diǎn)，分別為菁華路一、西大門、菁華二、菁華三、精勤一、精勤二、犀浦停車場、南門一、南門、知行路一、知行路二、知行路三、東門一、東大門、知行路四、九教、犀湖、八教、北區(qū)校車、北區(qū)宿舍、北區(qū)田徑場西、北區(qū)田徑場南、南區(qū)商業(yè)街、室內(nèi)體育場、乒乓球館、南區(qū)宿舍、圖書館、二教。

5.4 利用ArcGIS 軟件完成站點(diǎn)間距離的計算

5.4.1 制作矢量化校園地圖

首先將西南交通大學(xué)犀浦校區(qū)的地圖加載到ArcGIS 軟件中，使用系統(tǒng)工具箱中的OpenStreetMap Toolbox.tbx＞loadOSM，將原osm 文件變?yōu)閟hp 文件，將原地圖矢量化，得到矢量化的校園地圖[5]。

5.4.2 標(biāo)出站點(diǎn)并建立校園道路分布圖

在矢量地圖上，標(biāo)出已確定的站點(diǎn)的具體位置以及建立校園道路分布圖。在校園矢量地圖的屬性表中查找屬性為道路的圖并提取適合的道路，利用ArcGIS 軟件進(jìn)行拓?fù)浞治?，生成犀浦校區(qū)道路分布圖。

5.4.3 利用GIS 軟件計算各站點(diǎn)間距離

利用ArcGIS 軟件根據(jù)矢量地圖上標(biāo)出的站點(diǎn)信息建立相對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，得出28 個站點(diǎn)間的距離，保存在數(shù)據(jù)庫中。

5.5 利用Dijkstra 算法的AGT 系統(tǒng)車輛的路徑規(guī)劃

5.5.1 確定路線所經(jīng)站點(diǎn)

根據(jù)用戶拾取的站點(diǎn)信息，確定線路的起始站點(diǎn)v0及經(jīng)過的站點(diǎn)v，并在圖中標(biāo)出。我們以站點(diǎn)西大門、東大門、北區(qū)田徑場西、北區(qū)田徑場南、北區(qū)宿舍、八教、九教，其中西大門為起始站點(diǎn)v0為例，規(guī)劃一條合適的行車路線[6]。

5.5.2 建立對應(yīng)線路的阻抗矩陣

將用戶拾取的站點(diǎn)放入集合U 中，記為v。根據(jù)Dijkstra 算法結(jié)合結(jié)點(diǎn)的距離建立線路的阻抗矩陣M：

5.5.3 確定AGT 車輛的行車路線

通過建立阻抗矩陣計算得出，用戶當(dāng)前使用的站點(diǎn)所得出的線路路徑：西大門-北區(qū)田徑場南-北區(qū)田徑場西-北區(qū)宿舍-八教-九教-東大門。

6 結(jié)語

目前高校校園交通現(xiàn)道路規(guī)劃相對不合理，且混合交通沖突，校園短途公共交通設(shè)施配備不完善且落后。為解決這些問題需要引入一種新型的交通系統(tǒng)來改善當(dāng)前的校園交通狀況。而自動導(dǎo)向的AGT 新交通系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)無人駕駛的新交通系統(tǒng)，其獨(dú)立路權(quán)、全自動化管理、中等運(yùn)輸量、效率高等特點(diǎn)，可以有效解決校園交通的一些問題。針對校園AGT 系統(tǒng)的路線規(guī)劃，本文使用了Dijkstra 算法對行車路線進(jìn)行計算。只需確定路線的起始站點(diǎn)以及中繼站點(diǎn)，即可規(guī)劃出適合的行車路線，在滿足師生不同的出行需要的同時，提高了AGT 交通系統(tǒng)的運(yùn)輸效率。